estudio de la aplicación didáctica del lego mindstorms nxt para la enseñ

103 Pages·2011·4.37 MB·Spanish

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTIAGO DE
GUAYAQUIL

TESIS DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO(A) EN TELECOMUNICACIONES CON MENCIÓN EN
GESTIÓN EMPRESARIAL

TEMA:
ESTUDIO DE LA APLICACIÓN DIDÁCTICA DEL LEGO
MINDSTORMS NXT PARA LA ENSEÑANZA DE LA
ROBÓTICA EN LA CARRERA DE INGENIERÍA EN
TELECOMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA EN
CONTROL Y AUTOMATISMO.

ALUMNOS:
Kerry Emmanuel Sagal Espinoza
Fredy Antonio Mora Pallo

DIRECTOR
MSC. EDWIN PALACIOS MELÉNDEZ
TESIS DE GRADO
ESTUDIO DE LA APLICACIÓN DIDÁCTICA DEL LEGO
MINDSTORMS NXT PARA LA ENSEÑANZA DE LA
ROBÓTICA EN LA CARRERA DE INGENIERÍA EN
TELECOMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA EN
CONTROL Y AUTOMATISMO.

Presentada a la Facultad de Educación Técnica para el Desarrollo, Carrera
de Ingeniería en Telecomunicaciones de la Universidad Católica de
Santiago de Guayaquil

REALIZADO POR:
Kerry Emmanuel Sagal Espinoza
Fredy Antonio Mora Pallo

Para dar cumplimiento con uno de los requisitos para optar por el titulo de:
Ingeniero en Telecomunicaciones con Mención en Gestión Empresarial

MsC. Edwin Palacios Meléndez
Director de Tesis

Ing………………… Ing…………………
Vocal Vocal

MBA. Héctor Cedeño Abad MsC. Manuel Romero Paz
Decano de la Facultad Director de Carrera

2
CERTIFICACIÓN

Certifico que el proyecto de grado titulado “ESTUDIO DE LA
APLICACIÓN DIDÁCTICA DEL LEGO MINDSTORMS NXT PARA LA
ENSEÑANZA DE LA ROBÓTICA EN LA CARRERA DE INGENIERÍA EN
TELECOMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA EN CONTROL Y
AUTOMATISMO” desarrollado por Kerry Emmanuel Sagal Espinoza y
Fredy Antonio Mora Pallo fue realizado, corregido y terminado, razón por

la cual está apto para su presentación y sustentación.

Kerry Emmanuel Sagal Espinoza
Fredy Antonio Mora Pallo

MsC. Edwin Palacios Meléndez
DIRECTOR DE TESIS

3
Índice General
Agradecimientos .............................................................................................. 9
Dedicatoria ...................................................................................................... 10
Resumen ......................................................................................................... 11
Abstract ........................................................................................................... 12
CAPÍTULO 1: GENERALIDADES ................................................................... 13
1.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 13
1.2. ANTECEDENTES ........................................................................................... 13
1.3. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ...................................................................... 15
1.4. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA ................................................................ 15
1.5. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ........................................................... 16
1.5.1. OBJETIVO GENERAL ................................................................................ 16
1.5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................... 16
1.6. IDEA A DEFENDER ........................................................................................ 17
1.7. METODOLOGÍA ............................................................................................. 17
CAPÍTULO 2: ESTADO DEL ARTE DE LA ROBÓTICA Y LEGO
MINDSTORMS NXT .............................................................................. 18
2.1. ROBÓTICA ..................................................................................................... 18
2.2. ROBÓTICA Y AUTOMATIZACIÓN EN LA SOCIEDAD.................................. 20
2.3. ROBOTS MÓVILES ........................................................................................ 25
2.4. ROBOT LEGO MINDSTORM NXT ................................................................. 26
2.4.1. INTRODUCCIÓN A LEGO MINDSTORMS. ............................................ 27
2.4.2. Por qué escoger el robot LEGO Mindstorms ..................................... 28
2.5. OTRAS PLATAFORMAS (ROBOTS) SIMILARES A LEGO MINDSTORM NXT
........................................................................................................................ 29
2.5.1. PLATAFORMA FISCHERTECHNIK ........................................................ 29
2.5.2. PLATAFORMA ARDUINO ......................................................................... 30
2.5.3. PLATAFORMA PARALLAX ...................................................................... 31
2.5.4. SR1 ................................................................................................................. 32
2.5.5. PLATAFORMA ROBOTIS BIOLOID ........................................................ 33
2.5.6. PLATAFORMA ROBOBUILDER .............................................................. 34
2.6. CARACTERISTICAS Y COMPONENTES DE LA PLATAFORMA LEGO
MINDSTORMS NXT. ....................................................................................... 35
2.6.1 MICROCONTROLADOR NXT. .................................................................. 36
2.6.2 MOTORES DEL NXT. ................................................................................. 37
2.6.3 SENSORES DEL NXT ................................................................................ 38
4
2.6.4 COMUNICACIÓN USB Y BLUETOOTH ................................................. 41
CAPÍTULO 3: ESTADO DEL ARTE DE LA PROGRAMACIÓN DEL LEGO
MINDSTORMS NXT .............................................................................. 43
3.1. INTRODUCCIÓN A LAS HERRAMIENTAS DE PROGRAMACIÓN. .............. 43
3.2. PROGRAMACIÓN NXT. ................................................................................. 44
3.3. PLATAFORMAS COMERCIALES DE PROGRAMACIÓN DEL NXT. ............ 45
3.3.1. SOFTWARE NXT-G EDUCACIÓN ........................................................... 45
3.3.2. SOFTWARE NXT-G .................................................................................... 47
3.3.3. SOFTWARE ROBOLAB ............................................................................ 48
3.3.4. SOFTWARE ROBOTC ............................................................................... 50
3.4. PLATAFORMAS DE LIBRE USO PARA PROGRAMACIÓN NXT. ................ 52
3.4.1. LABVIEW TOOLKIT ................................................................................... 52
3.4.2. MATLAB y SIMULINK ................................................................................ 53
3.4.3. BRICXCC ...................................................................................................... 55
3.4.4. ENCHANTING .............................................................................................. 56
3.4.5. NBC ................................................................................................................ 56
3.4.6. NXC ................................................................................................................ 57
3.4.7. LEJOS NXJ................................................................................................... 57
3.4.8. MICROSOFT ROBOTICS DEVELOPER STUDIO................................. 58
CAPÍTULO 4: DESARROLLO EXPERIMENTAL DEL ROBOT LEGO
MINDSTORMS NXT. ............................................................................. 60
4.1. PRÁCTICA 1: Sistema de Defensa Robótico – Francotirador. ................... 60
4.2. PRÁCTICA 2: Robot Hexápodo - Strider. ..................................................... 74
4.3. PRÁCTICA 3: Robot escalador ..................................................................... 85
4.4. PRÁCTICA 4: Brazo robótico autónomo ...................................................... 92
CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ........................... 99
5.1. CONCLUSIONES .................................................................................. 99
5.2. RECOMENDACIONES ........................................................................ 100
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................. 101
Anexo A ......................................................................................................... 103

5
Índice de Figuras

Capítulo 1
Figura 1. 1: Ladrillo de control (microprocesador) del Mindstorms RCX. ..................... 14

Capítulo 2
Figura 2. 1: Los robots C3P0 y R2D2. ........................................................................ 19
Figura 2. 2: Primeros robots industriales. (a) Devol- Engelberger fundan Unimation
(1956). Primer robot industrial, (b) Primer robot con accionamiento eléctrico: IRb6
ASEA (1973); y (c) Robot SCARA del Prof. Makino (Univ. Yamanashi de Japón-1982)
................................................................................................................................... 21
Figura 2. 3: Robots inspirados en los humanos, llamados humanoides: ..................... 22
Figura 2. 4: Robots aplicados a la industria: (a) Fabricación y .................................... 24
Figura 2. 5: Robots aplicados en la medicina: ............................................................. 25
Figura 2. 6: Robots móviles (a) explorador terrestre, y ................................................ 26
Figura 2. 7: Plataforma creada con Fischertechnik ..................................................... 30
Figura 2. 8: Plataforma tipo placa de Arduino ............................................................. 31
Figura 2. 9: Plataforma tipo móvil de PARALLAX ....................................................... 32
Figura 2. 10: Plataforma del Robot móvil SR1 ............................................................ 33
Figura 2. 11: Plataforma del Robotis Bioloid ............................................................... 33
Figura 2. 12: Plataforma del Robot RoboBuilder ......................................................... 34
Figura 2. 13: Partes principales del LEGO Mindstorms NXT que son: ........................ 35
Figura 2. 14: Microcontrolador NXT ............................................................................ 36
Figura 2. 15: Especificaciones técnicas del bloque Mindstorms NXT .......................... 37
Figura 2. 16: Motor del NXT ........................................................................................ 37
Figura 2. 17: Engranajes del servomotor NXT. ........................................................... 38
Figura 2. 18: Sensor de contacto. ............................................................................... 38
Figura 2. 19: Sensor de sonido. .................................................................................. 39
Figura 2. 20: Sensor de luz. ........................................................................................ 39
Figura 2. 21: Sensor ultrasónico. ................................................................................ 40
Figura 2. 22: Cobertura del sensor ultrasónico. ........................................................... 40
Figura 2. 23: Comunicación entre PC y NXT a través del cable USB. ......................... 41
Figura 2. 24: Comunicación inalámbrico entre PC y NXT a través del bluetooth. ........ 41

Capítulo 3
Figura 3. 1: Variedad de textos publicados por profesionales y de la comunidad del
LEGO. ........................................................................................................................ 45
6
Figura 3. 2: Software de programación NXT-G Education. ......................................... 46
Figura 3. 3: Software de programación NXT-G. .......................................................... 47
Figura 3. 4: Software de programación Robolab. ........................................................ 49
Figura 3. 5: Entorno de la programación en Robolab. ................................................. 49
Figura 3. 6: Entorno de programación RobotC. ........................................................... 51
Figura 3. 7: Ejemplo de un programa en el entorno de programación en C. ............... 51
Figura 3. 8: Entorno de programación gráfica a través de LabVIEW. .......................... 52
Figura 3. 9: Entorno de programación textual en Matlab para el NXT. ........................ 53
Figura 3. 10: Entorno de programación por diagrama de bloques en Simulink de
Matlab. ........................................................................................................................ 54
Figura 3. 11: Entorno de programación IDE de la plataforma BricxCC ........................ 55
Figura 3. 12: Entorno de programación Scratch de la plataforma Enchanting ............. 56
Figura 3. 13: Plataforma de programación NBC. ......................................................... 57
Figura 3. 14: Plataforma de programación Lejos de Java. .......................................... 58
Figura 3. 15: Plataforma de programación Lejos de Java. .......................................... 59

Capítulo 4
Figura 4. 1: Sistema de Defensa Robótico .................................................................. 60
Figura 4. 2: Piezas para la construcción del sistema de defensa robótico ................... 61
Figura 4. 3: Paleta completa de programación. ........................................................... 63
Figura 4. 4: Diseño de bloques para el funcionamiento de los sensores de color ....... 64
Figura 4. 5: Configuración del loop para el sensor de color ........................................ 64
Figura 4. 6: Configuración de cada uno de los sensores de color. .............................. 65
Figura 4. 7: Diseño de bloques para el funcionamiento de los motores. ..................... 65
Figura 4. 8: La configuración individual de los motores. .............................................. 66
Figura 4. 9: Primera parte de la programación básica modo autónomo. ..................... 67
Figura 4. 10: Configuración interna del motor para determinada aplicación. ............... 67
Figura 4. 11: Segunda parte de la programación básica modo autónomo. .................. 68
Figura 4. 12: Configuración interna para otra manera de programación básica de modo
autónomo. ................................................................................................................... 68
Figura 4. 13: Tercera parte de la programación básica modo autónomo. .................... 69
Figura 4. 14: Configuración de los bloques adicionales del paso 3. ............................ 69
Figura 4. 15: Cuarta parte de la programación básica modo autónomo. ..................... 70
Figura 4. 16: Configuración de los bloques adicionales del paso 4. ............................ 70
Figura 4. 17: Programa final básica del sistema de defensa robótico autónomo ......... 71
Figura 4. 18: Configuración del bloque espera para la programación intermedia. ....... 72
Figura 4. 19: Programa final intermedia del sistema de defensa robótico autónomo ... 72
7
Figura 4. 20: Configuración final para la programación intermedia. ............................. 73
Figura 4. 21: Robot Hexápodo – Strider. ..................................................................... 74
Figura 4. 22: Piezas para la construcción del robot hexápodo – Strider. ..................... 75
Figura 4. 23: Vista de la conexión entre los puertos del NXT y los sensores del robot
hexápodo Strider. ....................................................................................................... 76
Figura 4. 24: Programación básica para mover las patas del robot hexápodo. ........... 77
Figura 4. 25: Configuración básica para ejecución correcta de los motores. ............... 77
Figura 4. 26: Programación de bloques para el movimiento del robot hexápodo. ....... 78
Figura 4. 27: Configuración del tiempo que se moverá el robot. ................................. 78
Figura 4. 28: Programación del paso 1 para el robot hexápodo. ................................. 79
Figura 4. 29: Configuración de los bloques del paso 1. ............................................... 79
Figura 4. 30: Programación del paso 2 para el robot hexápodo. ................................ 80
Figura 4. 31: Configuración de los bloques del paso 2. ............................................... 80
Figura 4. 32: Programación del paso 3 para el robot hexápodo. ................................ 81
Figura 4. 33: Configuración de los bloques del paso 3. ............................................... 82
Figura 4. 34: Programación del paso 4 y 5 para el robot hexápodo. .......................... 83
Figura 4. 35: Configuración de los bloques del paso 4. ............................................... 83
Figura 4. 36: Configuración de los bloques del paso 5. ............................................... 84
Figura 4. 37: Programación intermedia del robot hexápodo. ....................................... 84
Figura 4. 38: Configuración de los bloques de programación intermedia. ................... 85
Figura 4. 39: Vista del robot escalador. ....................................................................... 86
Figura 4. 40: Piezas para la construcción del robot escalador. ................................... 86
Figura 4. 41: Programación del paso 1 para el robot escalador de chimenea. ............ 88
Figura 4. 42: programación y configuración de los bloques del paso 2, encendiendo los
motores de las ruedas y extendiendo los brazos. ....................................................... 89
Figura 4. 43: Programación y configuración de los bloques del paso 3. ...................... 91
Figura 4. 44: Brazo robótico modo autónomo. ............................................................ 92
Figura 4. 45: Mecanismo de funcionamiento del brazo robótico modo autónomo. ...... 93
Figura 4. 46: Piezas para construcción del brazo robótico modo autónomo. ............... 94
Figura 4. 47: Programación y configuración del brazo robótico para agarrar objetos .. 95
Figura 4. 48: Programación y configuración del brazo robótico para liberar objetos .... 96
Figura 4. 49: Programación y configuración del brazo robótico para encontrar objetos.
................................................................................................................................... 97
Figura 4. 50: Programación y configuración del brazo robótico para liberar objetos .... 97
Figura 4. 51: Programación y configuración del brazo robótico acercándose a objetos
................................................................................................................................... 98
Figura 4. 52: Programa final para la operación completa del brazo robótico. .............. 98
8
Agradecimientos

Doy gracias a Dios por su bendita misericordia, porque este día me permite
llegar a un año más de vida, por todas las muestras de cariño que he recibido,
la fe el esfuerzo y el optimismo dedicado a lo largo de los años de estudio son
el fruto de la gente que creyó en mi persona .

Señor gracias por esa tremenda bendición de darme unos padres únicos e
irremplazables en el mundo ya que ellos me apartaron de lo malo me
inculcaron buenos valores se preocuparon por mis problemas, por sus
desvelos, porque nunca me fallaron, porque siempre estuvieron ahí,
tendiéndome un cálido abrazo, siempre creyeron en mí, por eso son mi modelo
a seguir para que mis futuros hijos se sientan orgullosos de mi así como yo
estoy orgulloso de mis padres.

También te pido que bendigas a mis 4 hermanos y 2 hermanas porque a pesar
de tantas adversidades que vivimos nunca dejamos de estar unidos luchando
por un solo fin, “la salud de mi amada madre” y eso fue lo que me ayudo a
seguir frenteando a la vida, porque no flaqueamos ni renegamos de ti Padre,
gracias a la perseverancia obtuvimos tremenda recompensa. Te pido que los
proveas Señor mío porque ellos han sido buenos conmigo cuando estuve
medio lázaro jeje.

Te agradezco Padre por poner esa personita especial en mi vida que me
enseño muchas cosas y fue mi compañera en tiempos de angustias y alegrías,
gracias por mis nuevos amigos que aportaron mucho en el cambio de vida al
seguir tus caminos.

Señor te pido que bendigas a nuestro director de tesis, el Ing. Fernando
Palacios porque nos propuso un excelente tema de tesis, que sé que ayudaran
a las nuevas generaciones en la Facultad Técnica, Señor se tu quien provea a
su familia tenlos con salud y lo más importante, es que sientan más tu
presencia en sus corazones y que sepan que no hay nada imposible para ti mi
Dios.

Todo esto te lo pido y te agradezco mi Dios en nombre de nuestro Señor
Jesucristo Amen y Amen

No temas, porque yo estoy contigo; no desmayes,
porque yo soy tu Dios que te esfuerzo;
siempre te ayudaré,
siempre te sustentaré con la diestra de mi justicia.
Isaías 41:10
9
Dedicatoria

A nuestros padres por su entrega abnegada
y sublime siendo pilares fundamentales para
culminar nuestra vida universitaria, a
nuestros hermanos y amigos por su apoyo
incondicional ayudándonos con sus
experiencias y consejos para así cumplir
nuestras metas, convirtiéndonos en
profesionales de éxito y mejores personas.

A nuestro amigo, que como Director de Tesis
nos supo ayudar a realizar un trabajo digno y
de mucho provecho para las siguientes
promociones de estudiantes que se inclinen
a la Ingeniería en Telecomunicaciones.

10